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2.2: Atomare Strukturen
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Atomic Structure
 
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2.2: Atomic Structure

2.2: Atomare Strukturen

Overview

All matter is composed of atoms, the smallest individual units of elements. Each atom is made up of three subatomic particles: protons, neutrons, and electrons. Together, these three particles account for the mass and the charge of an atom.

The History of Atomic Theory

The first person to propose that everything on Earth is made up of tiny particles was the Greek philosopher Democritus, around 450 B.C. He used the term atomos, Greek for “indivisible,” from which the modern term “atom” is derived. His idea was not taken seriously at the time, however, and it was many centuries before the concept of the atom would be revived. In the 19th century, John Dalton proposed the atomic theory that is still largely correct today. He put forth five postulates to explain how atoms made up the world around us: (1) all matter is composed of infinitely small particles, or atoms; (2) all atoms of a given element are identical to one another and (3) are different from the atoms of all other elements; (4) two or more elements can combine in a fixed ratio to form a compound; and (5) atoms cannot be created or destroyed in a chemical reaction, but they can be rearranged to form new substances.

Discovering the Subatomic Particles that Make up the Atom

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. While atoms cannot be broken down further by ordinary chemical or physical processes, they are composed of three smaller subatomic particles. The first clue about the subatomic structure came at the end of the 19th century when J.J. Thomson discovered the electron. Scientists knew that the overall charge of an atom was neutral, but Thomson’s “plum pudding model” of the atom attempted to reconcile this new information regarding the existence of a negatively-charged particle, suggesting that electrons were found studded throughout an area of positive charge. Just a few years later, Ernest Rutherford performed an experiment showing that most of an atom’s mass is concentrated in the nucleus, where protons account for an atom’s positive charge, and the tiny negatively-charged electrons make up most of the space outside of the nucleus. This disproved Thomson’s plum pudding model and brought scientists one step closer to the familiar model of the atom we know today. The neutron was discovered later, in 1932, by James Chadwick. This final piece of the puzzle meant that scientists had now accounted for all the mass present in an atom with protons and neutrons, and all of its charge with protons and electrons.

The Structure of an Atom

Protons are found in the nucleus of an atom, have a positive charge, and a mass of one atomic mass unit (AMU) each. The number of protons is equal to the atomic number on the periodic table and determines the identity of the element. Neutrons are also found in the nucleus. They have no charge, but they have the same mass as protons and thus contribute to the atomic mass of an atom. Electrons orbit around the nucleus in clouds. They have a negative charge and negligible mass, so they contribute to the overall charge of an atom, but not to its mass.

Überblick

Die gesamte Materie des Universums besteht aus Atomen. Sie stellen die kleinsten individuellen Einheiten der Elemente dar. Jedes Atom ist aus drei subatomaren Bausteinen zusammengesetzt: Protonen, Neutronen und Elektronen. Diese drei Teilchen machen zusammen die Masse und die Ladung eines Atoms aus.

Die Geschichte der Atomtheorie

Der erste Mensch, welcher die Hypothese aufstellte, dass alles auf der Erde aus winzigen Partikeln besteht, war der griechische Philosoph Demokrit um ca. 450 v. Christus. Er benutzte dafür den Begriff Atomos, griechisch für “unteilbar”. Von diesem Wort lässt sich auch der moderne Begriff “Atom” ableite. Seine Idee wurde seinerzeit jedoch nicht ernst genommen und fand kaum Beachtung. Es dauerte viele Jahrhunderte, bis der Begriff des Atoms wieder aufgegriffen wurde. Im 19. Jahrhundert schlug John Dalton die Atomtheorie vor. Sie gilt auch neute noch als weitgehend richtig. Er formulierte fünf Postulate, um zu erklären, wie die Atome die Welt um uns herum aufbauen: (1) alle Materie besteht aus unendlich vielen kleinen Teilchen oder Atomen; (2) alle Atome eines bestimmten Elements sind miteinander identisch und (3) unterscheiden sich von den Atomen aller anderen Elemente; (4) zwei oder mehr Elemente können sich in einem festen Verhältnis zu einer Verbindung zusammensetzen; und (5) Atome können nicht in einer chemischen Reaktion erzeugt oder zerstört werden. Sie können jedoch neu angeordnet werden und neue Substanzen bilden.

Die Entdeckung der subatomaren Partikel, aus denen die Atome bestehen

Dalton hatte nur teilweise Recht mit den Teilchen, aus denen die Materie besteht. Während Atome durch gewöhnliche chemische oder physikalische Prozesse nicht weiter zerlegt werden können, sind sie aus drei kleineren subatomaren Teilchen zusammengesetzt. Der erste Hinweis für diese subatomare Struktur wurde zum Ende des 19. Jahrhunderts gefunden. Zu diesem Zeitpunkt entdeckte J.J. Thomson das Elektron. Die Wissenschaftler wussten, dass die Gesamtladung eines Atoms neutral war, Thomsons “Plum-Pudding-Modell” versuchte jedoch, diese neue Information mit der Existenz eines negativ geladenen Teilchens in Einklang zu bringen. Es deutete darauf hin, dass Elektronen in einem Bereich mit positiver Ladung verstreut gefunden wurden. Nur ein paar Jahre später führte Ernest Rutherford ein Experiment durch, das zeigte, dass der größte Teil der Masse eines Atoms im Kern konzentriert ist. Die Protonen machen dabei die positive Ladung eines Atoms aus. Winzige, negativ geladenen Elektronen bilden gleichzeitig den größten Teil des Raums außerhalb des Kerns. Dies widerlegte Thomsons Plum-Pudding-Modell und brachte die Wissenschaftler dem heute bekannten Modell des Atoms einen Schritt näher. Das Neutron wurde 1932 von James Chadwick entdeckt. Das finden dieses letzten Puzzleteils bedeutete, dass die Wissenschaftler nun die gesamte Masse eines Atoms mit Protonen und Neutronen und seine gesamte Ladung mit Protonen und Elektronen nachweisen konnten.

Die Struktur eines Atoms

Protonen befinden sich im Kern eines Atoms. Sie weisen eine positive Ladung und eine Masse von jeweils einer atomaren Masseneinheit (AMU) auf. Die Anzahl der Protonen ist gleich der Ordnungszahl des Periodensystems und bestimmt die Zusammensetzung des Elements. Auch Neutronen befinden sich im Kern. Sie haben keine Ladung, besitzen aber die gleiche Masse wie Protonen und tragen somit zur Atommasse eines Atoms bei. Elektronen umkreisen den Kern in Teilchenwolken. Sie haben eine negative Ladung und eine unbedeutend kleine Masse, tragen also nur zur Gesamtladung eines Atoms bei, nicht aber zu seiner Masse.

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